Skip to Content

ОЧИСТИТЬ СЛОЖНЫЕ ПОТОКИ

Пермская гидродинамическая школа существует уже более 70 лет и широко известна за пределами региона и страны. Ученые из Института механики сплошных сред УрО РАН и Пермского государственного университета изучают жидкости в движении и взаимодействии с твердыми телами, чтобы выявить закономерности в этих процессах. Молодые представители школы поддерживают ее высокую марку. Так, в нынешнем году грант президента РФ получила научный сотрудник лаборатории вычислительной гидродинамики ИМСС кандидат физико-математических наук Людмила Клименко. Подробнее об исследовании и его перспективах победительница конкурса рассказала в интервью «НУ»
— Тема вашей работы — изучение транспорта примеси в сложных гидродинамических потоках. Для людей, далеких от науки, это может звучать замысловато. О каких сложных гидродинамических потоках идет речь?
— Это потоки жидкости, которые встречают на своем пути множество препятствий или имеют вихревой характер, в частности, потоки, текущие через пористую среду. Как известно, пористая среда представляет собой твердое тело, которое специалисты называют «скелетом», пронизанное системой сообщающихся между собой пустот, или иначе, пор, расположенных нерегулярно. Из этих пор образуется своеобразный лабиринт для жидкости. Поток через такую среду встречает на своем пути множество препятствий, что может приводить к появлению, например, вихрей или застойных зон, то есть получается достаточно сложным. Примеры — потоки через песок, гравий, грунт, бытовой фильтр и т.д. Или течение, встречающее на своем пути множество преград — например, ручеек, наталкивающийся на камни.
— Какие в них могут быть примеси и как они туда попадают?
— Зачастую примесь изначально находится в жидкости и является очень нежелательной. Это могут быть мелкие частицы грунта, соли, микроорганизмы, высокомолекулярные соединения, являющиеся отходами химической промышленности и многое другое. Поэтому наблюдение за транспортом примесей очень актуально, особенно в таких технологических процессах, как очистка с применением различных фильтрационных установок, ирригация почв, утилизация жидких отходов и т.д. Самый простой и распространенный пример — очистка воды в быту, в бассейне.
— Каким образом вы исследуете движение примеси?
— Мы вместе с моим коллегой кандидатом физико-математических наук Борисом Марышевым разрабатываем теоретическую модель, которая бы объяснила наблюдающийся в экспериментах аномальный, более медленный, транспорт примеси. Дело в том, что учесть все особенности потока через какой-нибудь реальный пористый объект просто невозможно: характерный размер пор — 1 микрометр, а сколько-нибудь значимый фильтр имеет размеры минимум 10 сантиметров, т.е. содержит 1015 различных препятствий. И при моделировании приходится использовать так называемый «осредненный» подход, когда описание производится в терминах некоторых обобщенных характеристик потока и среды. К настоящему времени наиболее распространены модели, основанные на законе Фика для диффузии и законе Дарси для фильтрации, однако эксперименты показывают, что примесь течет существенно медленнее, чем предсказывают эти классические законы.
В попытке объяснить эту «аномальность» появилась новая модель транспорта — фрактальная. Она хорошо согласуется с экспериментом, но является больше математическим обобщением. В том смысле, что попытки объяснить особенности транспортного процесса в рамках этой модели исходя из фундаментальных физических законов взаимодействия частиц примеси между собой или со «скелетом» среды не имели успеха. Поэтому она до сих пор, хотя и, повторюсь, хорошо согласуется с экспериментами, вызывает в научной среде немалое недоверие. Нам видится, что есть другой способ объяснить аномальный транспорт и физически обосновать фрактальную модель, а именно — учитывать взаимодействие потока со структурой среды, поскольку это приводит не только к дополнительному рассеиванию примеси, но и к специфическому движению каждой частицы в отдельности.
— В чем практическая значимость вашей работы?
— Существующие теоретические модели содержат множество феноменологических параметров, описывающих транспорт примеси. Их значения определяются только напрямую по результатам конкретного эксперимента. То есть, чтобы описать фильтрующие свойства каждой конкретной системы, нужно провести серию экспериментов. Конечно, для близких случаев свойства тоже будут близки, однако проектирование фильтрационных систем и прогнозирование распространения примеси в таких системах весьма затруднены. Это вызвано тем, что существующие теории недостаточно хорошо объясняют, какие параметры «скелета» среды и свойства частиц являются определяющими для транспорта.
Основной планируемый нами результат — определение зависимости параметров переноса примеси от структуры течения, которая в свою очередь однозначно определяется характеристиками твердого «скелета» среды и внешними условиями. В качестве определяющих будут выбраны легко измеримые в эксперименте свойства среды и потока — такие, как пористость, проницаемость, распределение пор по размерам, скорость фильтрации и т.д. Полученные в рамках проекта результаты позволят выделить определяющие факторы аномального переноса, и, следовательно, дадут возможность конструирования новых материалов и установок с заданными свойствами, а также существенно повысят точность прогнозирования процессов переноса примеси в пористых средах, например, в случае распространения солей и загрязнений в грунтовых водах.
— Что лично вас подвигло заниматься этой проблемой?
— Еще в аспирантуре я изучала поведение частиц в так называемом «сложном» потоке жидкости, образующемся вокруг пульсирующего пузырька. Затем была решена задача о том, как частицы примеси перемещаются внутри канала, взаимодействуя друг с другом и его стенками, что по сути можно рассматривать как перенос примеси в одной поре. Параллельно соисполнитель гранта Борис Марышев привлек меня к задачам о концентрационной конвекции в пористой среде, где как раз активно использовалась упомянутая фрактальная модель. А осенью прошлого года к нам с докладом приехал бывший выпускник физического факультета Пермского университета Михаил Закс, ныне работающий в Берлинском университете имени Гумбольдта (Германия), и рассказал о задаче обтекания жидкостью множества препятствий. Его задача, правда, была решена для бесконечного объема, то есть это чисто фундаментальный результат, но поведение частиц и в этом случае иногда оказывалось аномальным. Так и родилась идея рассмотреть перенос в сложных потоках.
— Какие перспективы в вашей исследовательской работе открывает поддержка в виде президентского гранта?
— Прежде всего, это дает материальную стабильность исследователю и дисциплинирует его. Если есть оплата, есть и необходимость представить результат, в ином же случае работа, основанная на хорошей идее, часто может вестись периодически, от случая к случаю, поскольку существуют другие неотложные дела. Еще такая поддержка дает возможность представить наши идеи и разработки на конференциях. Сейчас много научных встреч, посвященных именно пористым средам, и я надеюсь, что полученные результаты вызовут там интерес. Кроме того, о поддержанных такими грантами работах выходят статьи в научно-популярной форме. И даже само упоминание об исследовании на сайте конкурса ценно, поскольку позволяет потенциальным потребителям наших продуктов, в том числе и бизнесу, найти прямые контакты разработчика.
Беседу вел Павел КИЕВ
 
1. Пример потока через пористую среду. Видны частицы примеси, белым — «скелет» пористой среды (система препятствий).
2. Аналогичный пример обтекания пористой среды. Черным обозначен поток с примесью (белые точки). «Серые острова» — «скелет» пористой среды.
3. Схема обтекания препятствий потоком.
Год: 
2019
Месяц: 
июль
Номер выпуска: 
13-14
Абсолютный номер: 
1197
Изменено 19.07.2019 - 12:04


2012 © Российская академия наук Уральское отделение
620990, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 91
makarov@prm.uran.ru +7(343) 374-07-47